CN101614277A - 拖拉机动力换挡变速箱电控单元 - Google Patents

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Abstract

拖拉机动力换挡变速箱的电控单元，包括处理器电路和同处理器电路进行信号连接的电源电路、传感器供电电路、模拟传感器信号处理电路、开关传感器信号处理电路、速度传感器信号处理电路、比例电磁阀驱动电路、CAN总线驱动电路。电控单元带有低功耗的电源极性反接保护电路，具有传感器电源故障保护及检测电路和传感器信号异常检测电路，具有比例电磁阀恒流驱动控制及比例电磁阀故障检测和故障保护电路，具有CAN总线驱动电路，为电控单元实现故障检测和故障保护功能以及总线通讯功能提供了更好的硬件支持。

Description

拖拉机动力换挡变速箱电控单元
(一)技术领域
本发明属于拖拉机电子控制领域，涉及一种拖拉机动力换挡变速箱电控单元。
(二)背景技术
传动系是拖拉机的主要组成部分，其变速换挡装置由传统手动换挡发展到了动力换挡以及液力无级变速。目前在大功率拖拉机上越来越多的采用机电液一体化控制的动力换挡、动力换向变速箱，有效地提高了拖拉机的作业效率，降低了驾驶员的操作强度。
电控单元是拖拉机传动系电子控制系统的核心部件，外部传感器信号输入电控单元，处理器运行程序，输出相应的控制信号驱动外部执行器，完成变速箱的换挡操作。输入的信号包括发动机转速、发动机负荷、变速箱各轴转速等拖拉机运行工况；包括换挡按钮、换向手柄、离合器踏板、制动踏板等驾驶员操作信息；还包括油压、油温等安全相关的信息。处理器根据输入电路采集的输入信号计算当前变速箱状态以及驾驶员意图，运行控制策略算法计算相关执行器(比例电磁阀)的动作状态，并将其转换为电量信号送入驱动电路驱动执行器，使变速箱及时准确完成驾驶员意图。
电控单元的CAN总线接入车辆的CAN总线系统，用于接受操纵指令、发送变速箱状态，并用于执行电控单元的标定、诊断等功能。
(三)发明内容
本发明的目的是提供一种高集成度、高可靠性、低成本、功能全面的拖拉机动力换挡变速箱电控单元，用于拖拉机动力换挡变速箱的控制。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于拖拉机动力换挡变速箱的电控单元，包括：处理器电路1；同所述处理器电路1进行信号连接的电源电路2、传感器供电电路3、模拟传感器信号处理电路4、开关传感器信号处理电路5、速度传感器信号处理电路6、比例电磁阀驱动电路7、CAN总线驱动电路8。
其中，所述的电源电路2包含电源极性反接保护电路。
其中，所述的电源极性反接保护电路包含一个二极管和一个场效应管，二极管的正极连接场效应管的漏极及电控单元外部供电引脚，二极管的负极连接场效应管的源极及电源电路中电源转换电路的输入端，场效应管的门极经电平变换电路连接处理器电路1。二极管和场效应管是一个带有源-漏二极管的独立封装的场效应管。
其中，所述的传感器供电电路3包括：由低差压电压跟踪调整器及自恢复保险构成的油温传感器供电电路；由低差压电压跟踪调整器及自恢复保险构成的油压传感器供电电路；由低差压电压跟踪调整器及自恢复保险构成的润滑油压传感器供电电路；由低差压电压跟踪调整器及自恢复保险构成的离合器踏板位置传感器供电电路；由低差压电压跟踪调整器及自恢复保险构成的驾驶踏板位置传感器供电电路；由低差压电压跟踪调整器及自恢复保险构成的速度传感器供电电路。
其中，所述的模拟传感器信号处理电路4包括：由上拉电阻、∏型滤波电路及电阻分压器构成的油温传感器信号处理电路；由∏型滤波电路及电阻分压器构成的油压传感器信号处理电路；由上拉电阻、∏型滤波电路及电阻分压器构成的润滑油压传感器信号处理电路；由∏型滤波电路及电阻分压器构成的离合器踏板位置传感器信号处理电路；由∏型滤波电路及电阻分压器构成的驾驶踏板位置传感器信号处理电路。
其中，所述的开关传感器信号处理电路5包括：由电阻分压器、反相器及窗口鉴别器构成的离合器踏板开关信号处理电路。
其中，所述的速度传感器信号处理电路6包括：由上拉电阻、放大器、电阻分压器及反相器构成的变速箱输入轴速度传感器信号处理电路；由上拉电阻、放大器、电阻分压器及反相器构成的变速箱动力换挡速度传感器信号处理电路；由上拉电阻、放大器、电阻分压器及反相器构成的变速箱动力换向输入速度传感器信号处理电路；由上拉电阻、放大器、电阻分压器及反相器构成的变速箱动力换向输出传感器信号处理电路；由上拉电阻、放大器、电阻分压器及反相器构成的变速箱输出轴速度传感器信号处理电路；由上拉电阻、放大器、电阻分压器及反相器构成的动力输出轴速度传感器信号处理电路；。
其中，所述的比例电磁阀驱动电路7，包括：PWM控制器9、高边开关10、低边开关13和驱动电流采样电阻12。
其中，所述的PWM控制器9通过SPI总线连接到处理器电路1。
其中，所述的高边开关10和低边开关13为智能型电子开关。
其中，所述的CAN总线驱动电路8，包含用于处理器电路和CAN总线之间的信号转换芯片。
其中，所述的信号转换芯片为TLE6251，其引脚CANL及引脚CANH各自连接一个电感；所述TLE6251的引脚RxD连接一个驱动器的输入端。
利用本发明的动力换挡变速箱电控单元的优点是：
降低了电源极性反接保护电路功耗，有利于传感器的故障诊断和故障处理，有利于执行器的故障诊断和故障处理，电控单元能够更好的实现动力换挡变速箱的控制。
(四)附图说明
图1是本发明拖拉机动力换挡变速箱电控单元电路结构示意图。
图2是本发明拖拉机动力换挡变速箱电控单元的电源极性反接保护电路示意图。
图3是本发明拖拉机动力换挡变速箱电控单元的传感器供电电路及模拟传感器信号处理电路示意图。
图4是本发明拖拉机动力换挡变速箱电控单元的开关传感器信号处理电路示意图。
图5是本发明拖拉机动力换挡变速箱电控单元的速度传感器信号处理电路示意图。
图6是本发明拖拉机动力换挡变速箱电控单元的比例电磁阀驱动电路示意图。
图7是本发明拖拉机动力换挡变速箱电控单元的CAN总线驱动电路示意图。
(五)具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1是本发明拖拉机动力换挡变速箱电控单元电路结构示意图。动力换挡变速箱电控单元包括：处理器电路1；同所述处理器电路1进行信号连接的电源电路2、传感器供电电路3、模拟传感器信号处理电路4、开关传感器信号处理电路5、速度传感器信号处理电路6、比例电磁阀驱动电路7、CAN总线驱动电路8。
图2是本发明实施例的一种电源极性反接保护电路。车辆电源由T30输入，经T101内部的二极管到+UBAT，向电控单元内部电路供电。当发生误操作或故障等导致的外部电源反接时，这个二极管截止，保护电控单元内部电路。在正常工作的情况下，电控单元工作需要全部电流都流经这个二极管，由于二极管有1V左右的正向压降，会产生不必要的功率消耗并产生热量，不利于电控单元正常工作。为了消除这些不利因素，处理器向FPWR端提供一个高电平信号，使T101中的MOFET导通，旁路T101中的二极管，MOSFET的导通电阻很小，因而极大降低了电路的功耗。D101为稳压二极管，用于限制MOSFET的门极-源极电压，防止MOSFET损坏。
图3是本发明实施例的一种传感器供电电路及一种模拟传感器信号处理电路。其中油温传感器、油压传感器、润滑油压传感器、离合器踏板位置传感器、驾驶踏板位置传感器的电源及信号特性相似，因此供电电路及信号处理电路相同，现以油温传感器的供电电路和信号处理电路为例进行说明。供电电路使用U601电压跟踪调整器芯片TLE4254GS，REF端连接5V电源，OUT引脚输出即传感器供电端AS1的电压同REF引脚电压一致，也为5V，供给传感器的电源。U601的ST端指示芯片输出端的故障，由R607上拉后送给处理器用于故障检测。传感器负极连接到传感器接地端AG1，通过自恢复保险F601连接电控单元内部地，当外部故障引起传感器过电流时F601电阻值变大，保护传感器供电电路。传感器信号为0-5V的电压信号，由AI1输入，经C607、R611、C608组成的∏型滤波电路去除高频干扰，经R611及R614组成的电阻分压器后变换为满足处理器输入电压范围要求的信号AS-A1连接到处理器的A/D引脚。
图4是本发明实施例的一种开关传感器信号处理电路。离合器踏板开关信号由DI15端输入，经R450及R451组成的电阻分压器及反相器U403F后变换为满足处理器输入电压范围要求的信号SS-D15连接到处理器的数字输入引脚。由U404、U405组成窗口鉴别器，R456、R464、R466组成的分压器设定了窗口鉴别器的窗口电压范围为0.3V-4.7V。窗口鉴别器的输出信号SS-ERR连接到处理器的数字输入引脚用于离合器踏板开关的故障检测。当DI15电压在0.3V-4.7V之间，SS-ERR为高电平，指示离合器踏板开关信号正确；当DI15电压在0.3V-4.7V以外，SS-ERR为低电平，指示离合器踏板开关信号异常，有故障发生。
图5是本发明实施例的一种速度传感器信号处理电路。变速箱输入轴速度传感器、变速箱动力换挡速度传感器、变速箱动力换向输入速度传感器、变速箱动力换向输出传感器、变速箱输出轴速度传感器、动力输出轴速度传感器的信号特性相同，因此它们的信号处理电路完全一致，现以变速箱输入轴速度传感器信号处理电路为例进行说明。速度传感器输出脉冲信号，其输出电路为集电极开路并且串/并联电阻，实际输出值为电阻值，输出三极管导通时输出电阻值为1千欧，输出三极管截至时输出电阻值为18千欧。速度传感器输出端连接到FI3，其输出电阻同R545、R551构成分压电路，此分压电路的输出连接到运算放大器U506、R543、R547、R553、R561、C531、C539构成的放大器及R557和R561构成的分压器，对应1千欧和17千欧的传感器输出值，分压器的输出为2.1-2.4V和0.3-0.6V。分压器的输出经过反相器U503C后变换为信号FS-D3连接到处理器的输入引脚用于计算信号频率；另一路经限流电阻R573后变换为信号FS-A3连接到处理器的A/D输入引脚用于故障检测，当信号FS-A3的电压值在0.3V到2.4V之间，指示速度传感器信号正常，当信号FS-A3的电压值小于0.3V或者大于2.4V，指示速度传感器信号异常，有故障发生。
图6是本发明实施例的一种比例电磁阀驱动电路。处理器电路1根据换挡过程的需要计算比例电磁阀11的电流，通过SPI总线将此电流值写入PWM(脉冲宽度调制)控制器9，PWM控制器9输出相应的PWM信号驱动低边开关13使比例电磁阀11获得相应的电流。采样电阻12反馈的电流信号用于PWM控制器9的精确电流控制。当相关部件出现故障时，比如电磁阀线圈11短路，处理器电路1通过PWM控制器9关断低边开关13以避免更大的损害。高边开关10由处理器电路1控制其通断，这可以在低边开关13损坏时提供一个冗余的安全保护。
图7是本发明实施例的一种CAN总线驱动电路。TLE6251芯片为CAN总线收发器，其引脚TxD连接处理器电路的CAN控制器发送信号CI-TXCAN0，该发送信号经过TLE6251转换为CAN总线插分信号，由芯片的引脚CANL和引脚CANH输出，引脚CANL和引脚CANH接收到的CAN总线差分信号经过TLE6251转换为串行信号经过驱动器U301A连接到处理器电路的CAN控制器信号接收引脚。电感LB301和LB302用于滤除总线干扰。

Claims (8)

1.一种用于拖拉机动力换挡变速箱的电控单元，包括处理器电路(1)、电源电路(2)、传感器供电电路(3)、模拟传感器信号处理电路(4)、开关传感器信号处理电路(5)、速度传感器信号处理电路(6)、比例电磁阀驱动电路(7)、CAN总线驱动电路(8)；其特征在于：处理器电路(1)分别同电源电路(2)、传感器供电电路(3)、模拟传感器信号处理电路(4)、开关传感器信号处理电路(5)、速度传感器信号处理电路(6)、比例电磁阀驱动电路(7)、CAN总线驱动电路(8)进行信号连接。
2.根据权利要求1所述的拖拉机动力换挡变速箱的电控单元，其特征在于：电源电路(2)包含电源极性反接保护电路，电源极性反接保护电路包含一个二极管和一个场效应管，二极管的正极连接场效应管的漏极及电控单元外部供电引脚，二极管的负极连接场效应管的源极及电源电路(2)中电源转换电路的输入端，场效应管的门极经电平变换电路连接处理器电路(1)，二极管和场效应管是一个带有源-漏二极管的独立封装的场效应管。
3.根据权利要求1所述的拖拉机动力换挡变速箱的电控单元，其特征在于：所述的传感器供电电路(3)包含由低差压电压跟踪调整器及自恢复保险构成的油温传感器供电电路；由低差压电压跟踪调整器及自恢复保险构成的油压传感器供电电路；由低差压电压跟踪调整器及自恢复保险构成的润滑油压传感器供电电路；由低差压电压跟踪调整器及自恢复保险构成的离合器踏板位置传感器供电电路；由低差压电压跟踪调整器及自恢复保险构成的驾驶踏板位置传感器供电电路；由低差压电压跟踪调整器及自恢复保险构成的速度传感器供电电路。
4.根据权利要求1所述的拖拉机动力换挡变速箱的电控单元，其特征在于：所述的模拟传感器信号处理电路(4)包含由上拉电阻、∏型滤波电路及电阻分压器构成的油温传感器信号处理电路；由∏型滤波电路及电阻分压器构成的油压传感器信号处理电路；由上拉电阻、∏型滤波电路及电阻分压器构成的润滑油压传感器信号处理电路；由∏型滤波电路及电阻分压器构成的离合器踏板位置传感器信号处理电路；由∏型滤波电路及电阻分压器构成的驾驶踏板位置传感器信号处理电路。
5.根据权利要求1所述的拖拉机动力换挡变速箱的电控单元，其特征在于：所述的开关传感器信号处理电路(5)包含由电阻分压器、反相器及窗口鉴别器构成的离合器踏板开关信号处理电路。
6.根据权利要求1所述的拖拉机动力换挡变速箱的电控单元，其特征在于：所述的速度传感器信号处理电路(6)包含由上拉电阻、放大器、电阻分压器及反相器构成的变速箱输入轴速度传感器信号处理电路；由上拉电阻、放大器、电阻分压器及反相器构成的变速箱动力换挡速度传感器信号处理电路；由上拉电阻、放大器、电阻分压器及反相器构成的变速箱动力换向输入速度传感器信号处理电路；由上拉电阻、放大器、电阻分压器及反相器构成的变速箱动力换向输出传感器信号处理电路；由上拉电阻、放大器、电阻分压器及反相器构成的变速箱输出轴速度传感器信号处理电路；由上拉电阻、放大器、电阻分压器及反相器构成的动力输出轴速度传感器信号处理电路。
7.根据权利要求1所述的拖拉机动力换挡变速箱的电控单元，其特征在于：所述的比例电磁阀驱动电路(7)，包含PWM控制器(9)、高边开关(10)、低边开关(13)和驱动电流采样电阻(12)，PWM控制器(9)通过SPI总线连接到处理器电路(1)，高边开关(10)和低边开关(13)为智能型电子开关。
8.根据权利要求1所述的拖拉机动力换挡变速箱的电控单元，其特征在于：所述的CAN总线驱动电路(8)，包含用于处理器电路(1)和CAN总线之间的信号转换芯片TLE6251，TLE6251的引脚CANL及引脚CANH各自连接一个电感，TLE6251的引脚RxD连接一个驱动器的输入端。
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